Die Sache mit den Cubesats

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Letztes Jahr gab es eine Steigerung der Cubesat Starts um 40%. Cubesats wurden 1995 geschaffen, als eine standardisierte Plattform für Kleinstssatelliten. Sie wiegen maximal 1 kg und sind würfelförmig mit Abmessungen von 10 x 10 x 10 cm. Für komplexere Projekte kann man auch vielfache dieser Größen nehmen, so hat Planetlabs z.b 3U Einheiten von 10 x 10 x 30 cm Größe für ihre Satelliten gewählt. Erstaunlich ist wie viel man heute miut solchen Minisatelliten machen kann. Einschränkender als die Masse ist meistens die geringe Größe: Das Volumen/Gewichtsverhältnis liegt bei größeren Satelliten meist bei 4-5 dm³/kg, hier ist es nur bei einem 1 dm³/kg. Das limitiert vor allem die Stromversorgung durch Solarzellen bei nur 0,01 m² Fläche (bei üblichen Wirkungsgraden sind das maximal 3 Watt).

Gedacht als Projekte für Studenten, die so einen eigenen Satelliten kreieren können, zum Test von Bauteilen oder Technologien, sowie für kleine Organisationen hat sich dies verselbstständigt. Das Beispiel Planetlabs zeigt es schon: man kann selbst solche kleine Satelliten kommerziell nutzen. Planet Labs hat es fertiggebracht in den winzigen Satelliten ein Teleskop einzubauen, das immerhin 3,5 m Auflösung hat. Erstaunlicher ist mehr dass man es fertig bringt diese Bilder auch zu übertragen – schließlich lässt die Oberfläche von 0,03 m² nicht viel Platz für Solarzellen und eine Parabolantenne für eine Richtantenne hat auch keinen Platz. Inzwischen gibt es selbst Vorschläge Cubesats zum Mond zu entsenden.

Trotzdem gibt es zu wenige Startgelegenheiten für Cubesats. Warum? Nun sie teilen die Nachteile jeder Sekundärnutzlast, aber in verschärfter Form. Eine Sekundärnutzlast muss sich der Hauptnutzlast unterordnen. Da man sie nicht an der Hauptnutzlast anbringen kann, das würde wohl der Kunde nicht dulden kann man sie nur oberhalb oder unterhalb anbringen. Oberhalb ging nur mit einer Doppelstartvorrichtung, diese bietet nur Arianespace an. Sie ist aber teuer und addiert rund 500 kg Gewicht – dies für Satelliten die nur 1 kg wiegen. Die zweite Möglichkeit ist darunter. Dafür gibt es eine Reihe von Möglichkeiten.

Die gängigste ist an dem Adapter der zwischen Oberstufe und Nutzlast liegt. Adapter für Satelliten sind standardisiert und es gibt sie in verschiedenen Durchmessern. Die meisten Oberstufen haben einen größeren Durchmesser. Ein Adapter vermittelt zwischen dem Standardanschluss und der Oberstufe. Er ist meistens konisch, manchmal auch zylinderförmig. An seiner Außenseite oder einem an ihm befindlichen Ring kann man Sekundärnutzlasten anbringen.

Anbringungen an der Oberstufe oder ihrer Instrumentierung sind auch möglich, aber heute selten.

Die verbreitetste Methode ist es heute Cubesats mit einem Transporter zur ISS zu bringen und von den Astronauten durch einen Cubesat-Deployer auszusetzen. Die meisten Cubesats nehmen heute diesen Weg und er ist der einfachste.

Das verwundert: Nur ein Drittel der Transportkapazität der Frachter entfällt auf die Fracht. Da die Transporter auch bezahlt werden, ist jedes Kilogramm Nutzlast viel teurer als ein Kilogramm Satellit. Der Grund dafür ist, das es für den LSP sehr unattraktiv ist kleine Sekundärnutzlasten zu befördern. Er muss einen Ring für die Beförderung installieren, das kostet Geld und er nimmt nur wenig ein. Arianespace hat sogar den Start von weitaus größeren Sekundärnutzlasten auf der Ariane 5 eingestellt. Die Starts der Transporter zur ISS werden dagegen von den Weltraumbehörden bezahlt und die haben schon Probleme den Platz in den Transportern voll auszunutzen. Den LSP kosten diese Starts nichts.

Kann man daran etwas ändern? Nur bedingt. An dem schlechten Verhältnis zwischen Aufwand und Nutzlast lässt sich nur bedingt etwas ändern. Man könnte zwar dran denken die Cubesats nicht einzeln zu starten sondern viele in einem Container. Doch dann muss gewährleistet sein, dass diese sich beim Start nicht gegenseitig beschädigen. Der Container muss sich zuverlässig öffnen und er addiert weitere Masse und Kosten. Eine weitere Möglichkeit ist es sie fest an der Oberstufe oder VEB zu befestigen. Die meisten Nutzlastverkleidungen haben einen größeren Durchmesser als die Oberstufen und sind an deren Oberteil angebracht. Das Gibt Einschränkungen bei der Beweglichkeit. Wenn man sie fest befestigt ist aber auch an ein Aussetzen in höheren Orbits denkbar. Da Cubesats nicht mehr Weltraummüll bilden sollen ist es sinnvoll diese direkt an der Stufe zu befestigen. So gibt es nur ein Stück Weltraummüll und nicht dutzende. Leider gibt es dann noch größere Einschränkung hinsichtlich elektrischer Leistung und Sendemöglichkeiten, weil die Oberstufe zusätzlich abschirmt.

Meiner Ansicht nach aber sollte es neben den Cubesats auch größere standardisierte Satelliten gibt in der 10 kg und 100 kg Klasse. Gerade für Unternehmen sind diese Größen auch interessanter. Planetlabs hat z.B. Rapideye übernommen die fünf Satelliten von über 100 kg Gewicht Zudem erlauben sie komplexere Projekte anzugehen, die sich in einem Kilogramm nicht verwirklichen lassen. Die Cubesats passen in das Konzept dahingehend herien, dass man mehrere in dem Körper eines 10 kg Satelliten unterbringen kann.

Was ich für absolut überflüssig halte ist ein dezidierter Cubesat Launcher. Rocketlab entwickelt einen der 150 kg Nutzlast hat und eine 1U Einheit für 80.000 Dollar starten kann. Das entspricht 12 Millionen Dollar für die komplette Rakete, das ist nicht gerade preisgünstig. Vielmehr wäre sinnvoll wenn wenigstens alle Weltraumagenturn auf ihren Starts auch wenn es Mehrkosten verursacht Cubesats, aber auch größere Sekundärnutzlasten mitführt. Bei Preisen von 80.000 Dollar pro Satellit (die Herstellungskosten dieser liegen meistens darunter) wäre der „Start“ von Cubesats wären ein gutes Zubrot für Astronauten – die müssten nur auf einen Teil ihrer persönlichen Ausrüstung verzichten und dafür Cubesats zur ISS bringen lassen – leider ist die Masse dieser Personal Preference Kits auf 1 kg beschränkt. Ich finde das erstaunlich, bedenkt man was für Gimmicks sonst zur ISS fliegen.

Ein Vorteil der Starts zur ISS ist auf jeden Fall neben der hohen Frequenz von 5-6 Versorgungsflügen alleine auf US-Seite pro Jahr der niedrige Orbit – die Satelliten verglühen innerhalb von 2 Jahren wieder. Hier könnte man auch die Versorger selbst mit -cubesats ausrüsten – angebracht am Servicemodul von Sojus würden sie 180 Tage im All bleiben, bei Dragon, Cygnus und HTV sind es nur einige Wochen, doch vielleicht ist selbst das lohnend. Hier könnte man dran denken die Raumschiffe selbst mit einzubeziehen z.B. Strom aus dem Bordnetz oder Sendevorrichtungen zur Verfügung zu stellen.

7 thoughts on “Die Sache mit den Cubesats

  1. Dann braucht jeder Cubesat einen ziemlich großen Antrieb. Prinzipbedingt ist zum einen der erdnächste Punkt zu tief und die Geschwindigkeit selbst bei mehrfach gestackten Kanonenrohren viel zu gering. Ich glaube auch das die das nicht aushalten würden.

  2. Es gibt die Möglichkeit externe Racks bei der japanischen Exposed Facility(Teil von Kibo) anzubringen. Die Racks lassen sich mit dem japanischen Roboterarm ohne Weltraumspaziergang austauschen. Strom und co gibt es dann noch von der ISS.
    Sonst gibt es auch noch Stratplätze für Cubesats auf den umgebauten russischen Interkontinetalraketen(z.B. Shitl), die alle Nase lang genau für den Zweck, meistens von europäischen Gruppen, bestellt werden.

  3. Ja, mit SHTIL und SHTIL-2.1 und 2R sind Nutzlasten von 80 bis 200 kg möglich, die Startkosten sind aber recht hoch.

    Mit Taimur-1B (Startmasse = 2600 kg) sind Nutzlasten von 13 kg und von Taimur-5 bis 100 kg möglich. Noch in der Entwicklung, der erster Start verlief aber erfolgreich.

    Die Startkosten werden etwa 40000 $ pro 1 kg Nutzlast betragen. Bei Firefly α (Firefly Space Systems) liegen die bei 23000 $. (Tabelle im Link als auch technischen Daten zu Taimur).

    http://www.spacelin.ru/#!taymyr/c1wuk

  4. Wenn SpaceX bei ihren GTO-Flügen nicht eh immer am Nutzlastlimit wären, könnten sie die Cubesats einfach während der Driftphase zwischen erster und zweiter Zündung der Oberstufe aussetzen. Dort wären sie nicht so nah am ISS-Orbit wie beim „Start“ von der ISS aus und würden ebenfalls nach recht kurzer Zeit verglühen.

    Problem ist halt, dass bei 80.000 $ pro Cubesat die kommerziellen Launch-Anbieter keine Lust auf das Geschäft haben. Selbst SpaceX nimmt 30 Mio. $ und mehr pro Start. Da bringt ein Cubesat dann 4 Promille zusätzlichen Umsatz. Mit der Gefahr, dass er die Hauptmission zerstört, sollte er beim Start zerbrechen.

    Von daher sind dedizierte Cubesat-Starts gar nicht so dumm. Alte Interkontinentalraketen dafür gibt es genug.

  5. Zunächst, ab November 2015 bis November 2016 sind 6 Starts von Progress-MS und Sojus-MS vorgesehen. Die neuen Transportraumschiffe neben neuen technischen Daten, darunter versehen mit neuartigen Navigationssystemen (kann näher eingehen), erhalten zusätzliche bis zu 4 Abschussbehälter mit deren Hilfe 24 CubeSat-Satelliten mit einer Kantenlänge von 10 cm ins All befördert werden können.
    Ja, eine sehr gute und effektive Lösung.

  6. Noch ein Wort zu Nutzlast für CubeSat.

    Ich habe schon mehrmals gelesen (Bernd hast du auch gepostet ?), das durch die kurze Kopplung innerhalb von 5,5 Stunden an die ISS, haben wir einen grösseren Bedarf an Treibstoff. Nun, wir brauchen deutlich mehr V (etwa 9x) gegenüber der Kopplung von 50 Stunden, das ist Fakt. Auf der anderen Seite (für alle Skeptiker der schnellen Kopplung) haben wir aus ballistischen Gründen einen ökonomischen Vorteil von etwa 20 kg pro Raumschiff, damit auch mehr Nutzlast für andere Sachen. Die Info stammt vom stellvertretenden Chef der Ballistik-Abteilung bei RKK Energia, R. Murtazin, der ist auch der Entwickler der schnellen Kopplung. Seine Arbeit der Kopplung wurde von Energija zum Patent angemeldet.

    Bei Abbruch so einer Kopplung und Übergang auf eine 50 Stunden Kopplung, brauchen wir heute 70 kg mehr an Treibstoff.

    Die Kopplung des Sojus Raumschiffe im Jahr 1968 (Kosmos-212 und 213) erfolgte nach 47 Minuten, ist noch heute ein Weltrekord. Bei Beregowoj wäre die Kopplung schon nach 60 Minuten möglich, die Entfernung zu Sojus-2 betrug 200 Meter. Bei bemannten Flügen halten die amerikaner den Weltrekord, die Kopplung von Gemini-11 mit Agena erfolgte nach 1 Stunde und 34 Minuten.

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